章 斌

（中鐵華鐵工程設計集團有限公司 軌道交通設計院，北京 100071）

加快發(fā)展智能制造，對于推進我國制造業(yè)供給側結構性改革，培育經濟增長新動能，構建新型制造體系，促進制造業(yè)向中高端邁進、實現(xiàn)制造強國具有重要意義[1-2]。

數(shù)字化車間是實現(xiàn)智能制造的重要引擎，將人、機、法、料、環(huán)、測的數(shù)據(jù)連接起來，多維度融合，把制造自動化擴展到柔性化、智能化和高度集成化，從而實現(xiàn)成本、質量的全壽命周期管理，實現(xiàn)產品的透明、快速生產制造。智能制造和數(shù)字化車間建設在我國尚處于探索期，軌道車輛的智能制造可提升業(yè)務集成和信息交互，提升產品設計、工藝開發(fā)、生產制造、質量控制以及企業(yè)管理的數(shù)字化水平[3-4]。

通過對鋁合金車體制造現(xiàn)狀深入調研，發(fā)現(xiàn)其業(yè)務流程存在自動化孤島和信息化孤島的問題，急需采用先進的管理方法和制造設備提高制造過程的生產效率，打造數(shù)字化車間是解決實際問題和提升生產工藝和管理水平的有力保障。

1 鋁合金車體數(shù)字化車間構建的總體方案

數(shù)字化車間作為智能制造實現(xiàn)的基礎載體，是邁向智能制造不可跨越的基石。結合對鋁合金車體制造的普遍問題和業(yè)務流程、管理模式研究分析，按照層次結構設計，提出構建鋁合金車體數(shù)字化車間的總體構架和各應用層業(yè)務流程的功能要求[5]。

1.1 總體架構

鋁合金車體車間以車間標準化生產線和節(jié)拍化生產工位為基礎，按照業(yè)務流程優(yōu)化（精益管理、大技術體系、大質量體系）和生產線自動化、網(wǎng)絡化、智能化升級為手段，通過信息化建設，實現(xiàn)鋁合金車體的數(shù)字化研發(fā)、數(shù)字化制造和數(shù)字化運營管理，實現(xiàn)產品制造的高效率、低成本、高質量[6]。

車間結合制造過程的業(yè)務流程需求分析和整體規(guī)劃，構建鋁合金車體數(shù)字化車間總體架構，如圖1所示。車間部分整體規(guī)劃分為4 個層級，即以數(shù)據(jù)分析為代表的分析決策層、以數(shù)字化產品設計協(xié)同平臺為代表的業(yè)務管理層、以數(shù)字化制造運營管理（MOM，Manufacturing Operation Management）系統(tǒng)為代表的制造執(zhí)行層和以車體制造數(shù)字化生產線建設為代表的設備及控制系統(tǒng)層。

圖1 鋁合金車體數(shù)字化車間總體架構示意

1.2 業(yè)務流程

1.2.1 設備及控制系統(tǒng)層

設備及控制系統(tǒng)層是落實企業(yè)數(shù)字化、智能化制造效果的實際承擔者，是數(shù)字化車間建設的最終呈現(xiàn)端，是建立數(shù)字化車間的關鍵因素。通過智能化生產線的打造使鋁合金車體生產的各類設備能夠統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)管控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸高效準確。設備及控制系統(tǒng)層通過與供應鏈協(xié)同信息系統(tǒng)的對接，與上游供應商在數(shù)據(jù)、信息及業(yè)務流程上緊密集成，增強企業(yè)對供應鏈的控制能力。

1.2.2 制造執(zhí)行層

制造執(zhí)行層打通了業(yè)務管理層與車間執(zhí)行層之間的信息斷層，實現(xiàn)企業(yè)車間現(xiàn)場信息系統(tǒng)、設計工藝系統(tǒng)與上層管理系統(tǒng)的集成，使數(shù)據(jù)和業(yè)務能順暢流轉，將數(shù)據(jù)流和業(yè)務流延伸至設備端，保障生產數(shù)據(jù)高效無損執(zhí)行，是企業(yè)實現(xiàn)管理技術網(wǎng)絡化、智能化，成為向智能制造發(fā)展的基礎。

1.2.3 業(yè)務管理層

通過集成與優(yōu)化企業(yè)已經建立的企業(yè)資源計劃（ERP，Enterprise Resource Planning）、產品生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）、OA等管理信息系統(tǒng)，有效地指導工廠的生產運作過程。建立設計開發(fā)協(xié)同設計平臺和供應鏈協(xié)同管理平臺，整合公司、供應商的資源，將推進模塊化設計和全模型設計進度，為鋁合金車體車間數(shù)字化制造奠定數(shù)據(jù)基礎。

1.2.4 分析決策層

打通上下游信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各信息化系統(tǒng)之間的順暢傳遞，保證業(yè)務管理層和業(yè)務管理層收集到的信息能夠從不同維度進行統(tǒng)計、分析，形成各類統(tǒng)計分析報表，供不同管理維度的企業(yè)管理者可基于數(shù)據(jù)分析做出對企業(yè)現(xiàn)狀最有利的決策。

2 重點攻關方向和關鍵技術

鋁合金車體數(shù)字化車間是基于鋁合金車體制造的業(yè)務流和信息流的融合，實現(xiàn)從產品設計到制造運營，再到生產線（焊接、加工）直達底層設備的全過程技術數(shù)據(jù)交互，重點對產品設計協(xié)同平臺、制造運營管理平臺、柔性生產線及大數(shù)據(jù)分析平臺等關鍵技術進行重點研究。

2.1 數(shù)字化產品設計協(xié)同平臺

2.1.1 功能介紹

數(shù)字化研發(fā)是實現(xiàn)數(shù)字化車間的第一步。數(shù)字化產品設計協(xié)同平臺是基于提高標準化、模塊化產品研發(fā)能力和完善工藝仿真驗證能力，提升系統(tǒng)內、外部協(xié)同水平，為產品研發(fā)和工藝設計全面推進數(shù)字化設計提供基礎保障；產品研發(fā)設計流程與設計輸出，對應的工藝設計流程與工藝輸出，通過信息系統(tǒng)對工藝設計方法和工藝設計流程進行固化，實現(xiàn)工藝設計與產品設計對接，達到工藝設計規(guī)范，流程順暢。數(shù)字化產品設計協(xié)同平臺架構，如圖2所示。

圖2 數(shù)字化產品設計協(xié)同平臺架構

2.1.2 實施方案與關鍵技術

數(shù)字化產品設計協(xié)同平臺實現(xiàn)了產品研發(fā)設計和工藝設計兩大環(huán)節(jié)完全融合，通過對外集成接口實現(xiàn)與ERP、制造企業(yè)生產過程執(zhí)行系統(tǒng)（MES）進行業(yè)務數(shù)據(jù)及時有效地傳遞，形成設計與生產數(shù)據(jù)的閉環(huán)。

數(shù)字化產品設計協(xié)同平臺的搭建應具備以下關鍵要點。

（1）不斷對前期項目中創(chuàng)建的大量各類標準件庫、管路庫等企業(yè)資源庫進一步完善和整理，規(guī)范使用方法，建立更齊全的產品模型庫。

（2）為了提升工藝仿真驗證能力，應用機器學習，將領域知識引入到仿真優(yōu)化系統(tǒng)中，擴充三維加工仿真及驗證能力，形成適合生產業(yè)務特點的加工仿真驗證系統(tǒng)，在虛擬制造環(huán)境中進行規(guī)劃、仿真和模擬，對產品工藝及加工方案的可制造性進行預測和評價。逐步融合現(xiàn)實生產環(huán)境，通過虛擬驗證指導實際生產。

（3）深入探索以鋁合金車體部件為載體基于模型的定義（MBD，Model Based Definition）技術在研發(fā)策劃、工藝方案階段的方法應用，以解決工程設計過程中數(shù)據(jù)種類雜、共享差、交互少、無關聯(lián)以及技術人員無法直接使用三維設計模型進行產品的工藝設計、指導生產等問題，為實現(xiàn)MBD 的一體化技術及甩掉二維工程圖實現(xiàn)三維模型下車間奠定基礎。

從模型定義、模塊化設計、工藝仿真驗證到管理平臺的數(shù)字化產品設計協(xié)同平臺，改變了研制流程、研制方法和鋁合金車體的研發(fā)模式[7]，提高產品研發(fā)工作效率和設計質量，為后序的數(shù)字化制造運營管理平臺提供必要的數(shù)字化產品數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)字化MOM 系統(tǒng)

2.2.1 功能介紹

數(shù)字化MOM 系統(tǒng)是計算機軟硬件、制造運營管理與制造運營過程的集成。利用計算機軟件技術、網(wǎng)絡技術和數(shù)據(jù)庫技術將先進的制造運營管理理念和制造運營管理過程進行固化，形成標準、通用、自動進行制造運營管理的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)功能性軟件集成的軟件框架，主要包括物料需求計劃（MRP，Material Requirements Planning）、制造資源計劃（MRPⅡ）、ERP、MES。

2.2.2 實施方案與關鍵技術

針對軌道車輛產品結構復雜，小批量，多品種的行業(yè)特點，鋁合金車體車間的數(shù)字化制造運營管理系統(tǒng)以圍繞制造過程所需要的計劃排程、技術數(shù)據(jù)、物流供應、質量控制，以及設備資源等業(yè)務信息和數(shù)據(jù)，以標準化、規(guī)范化和流程化的載體，以快捷、準確的方式在各業(yè)務之間傳遞為目標[8]，對主要涉及到軟件集成、計劃接口、工藝接口、變更、調度、倉庫、物流、生產、質量、人工/工時、管控中心、業(yè)務支持和設備集成等11 個功能領域（細分為68 個子功能）進行分析和規(guī)劃，詳細定義各功能領域內部的主要功能及各功能之間的信息流，實現(xiàn)制造過程信息流的數(shù)字化和可視化。鋁合金車體車間數(shù)字化制造運營管理系統(tǒng)功能規(guī)劃，如圖3 所示。

圖3 鋁合金車體車間數(shù)字化制造運營管理系統(tǒng)功能規(guī)劃

數(shù)字化MOM 系統(tǒng)圍繞工位制、節(jié)拍化、拉動式生產模式建立制造全過程管理信息系統(tǒng)，以工位單元為核心，實現(xiàn)信息能快速獲取、計劃能適時下達、物料能按時配送、過程能實時監(jiān)控、特殊要求能提示、問題能及時暴露、數(shù)據(jù)能實時采集和流程能閉環(huán)管理，與上游系統(tǒng)緊密集成，形成基于工位制的管理信息體系，形成工位制為核心的生產制造和質量的閉環(huán)管理。

針對焊接、加工等生產線的特點，在MOM 的框架范圍內開發(fā)實施相應的焊接生產線MES、加工生產線MES，在關鍵的局部環(huán)節(jié)實現(xiàn)加工設備與制造管理系統(tǒng)的緊密集成，使制造數(shù)據(jù)得以上下貫通[9]。焊接生產線MES：通過對機器人焊機與手工焊機形成聯(lián)網(wǎng)，構建焊機與人、焊機與焊機、焊機與管理平臺之間的信息通信環(huán)境。加工生產線MES：對加工機床進行聯(lián)網(wǎng)控制，實現(xiàn)排版套料、板材余料、加工程序、加工仿真驗證、加工過程和機床狀態(tài)監(jiān)控等現(xiàn)場加工管理，實現(xiàn)MOM 生產訂單的有效執(zhí)行、生產采集數(shù)據(jù)的有效傳遞等系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理，為數(shù)字化生產線建設提供系統(tǒng)支撐。

2.3 數(shù)字化柔性生產線

2.3.1 功能介紹

數(shù)字化柔性生產線是以工業(yè)機器人、柔性可重構工裝、自動化的數(shù)控連接設備、智能運載小車、數(shù)字化的測量檢驗設備和信息化的集成管理平臺構成。

針對鋁合金車體具有型號多、批量少的特點，生產線需要在一般機械產品生產線的特點的基礎上具有一定的柔性功能，同一生產線既能用于同型號同批次，又能適用同型號改進改型系列產品生產，還可以直接適用不同產品的生產，從而滿足了生產線對產品產量的要求。

2.3.2 實施方案與關鍵技術

鋁合金車體車間主要是完成鋁合金車體次部件、大部件的焊接、加工以及車體總成的焊接、加工等工作。結合軌道車輛鋁合金車體小批量、多品種的生產特點，重點提升車體生產線的柔性化水平。

車間組建次部件、底架、側墻、端墻、車頂、總成組焊5 條生產線，數(shù)字化柔性生產線的構建主要包括以下內容和關鍵技術：

（1）自動化生產線模塊化可重構技術。生產線通過先進的連接設備及技術，實現(xiàn)生產過程的自動化，能夠實現(xiàn)生產線的快速調整及重構。

（2）數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)。實現(xiàn)工裝快速響應，快速重構以及數(shù)字化定位，保證裝配質量和效率。

（3）數(shù)字化測量檢驗系統(tǒng)。實現(xiàn)裝配過程中的精確測量和協(xié)調裝配，裝配完成后的精確檢驗，生產線各工序均配置數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，實現(xiàn)生產設備、工具與生產線MRP、MES、MOM 系統(tǒng)的集成。

（4）數(shù)字化生產線輔助裝備及管理。建立數(shù)字化柔性生產線集成管理系統(tǒng)，實現(xiàn)從產品設計、工藝、裝配、焊接、打磨、檢驗和現(xiàn)場管理等各生產環(huán)節(jié)信息的高度集成和移動生產線的自動配送物流管理。

2.4 大數(shù)據(jù)分析平臺

2.4.1 功能介紹

鋁合金車體車間以企業(yè)明確用戶需求為前提、以數(shù)據(jù)現(xiàn)狀為基礎、以業(yè)務價值為標尺、以分析技術為手段，針對具體的業(yè)務問題，制定個性化的數(shù)據(jù)分析解決方案，主要功能模塊有：設備基礎信息管理，設備實時狀態(tài)監(jiān)測，設備參數(shù)預警，工藝程序庫，歷史數(shù)據(jù)查詢分析和專家經驗知識庫等。

2.4.2 實施方案與關鍵技術

大數(shù)據(jù)分析平臺通過信息技術手段收集生產經營中產生的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、進度、指標、異常等數(shù)據(jù)，采用數(shù)字仿真模型、大數(shù)據(jù)分析等手段提供關鍵指標、管理預警、優(yōu)化建議等決策依據(jù)和解決方案仿真，通過圖形化和三維技術展示，形成真實工廠的數(shù)字映像，可使用電子看板、移動設備等顯示載體，大數(shù)據(jù)處理技術可提高數(shù)據(jù)分析的效率及準確性[10]。大數(shù)據(jù)平臺需具備以下關鍵能力：

（1）強大的數(shù)據(jù)獲取能力；

（2）數(shù)據(jù)加載與轉換；

（3）數(shù)據(jù)倉庫架構與存儲；

（4）數(shù)據(jù)建模模板；

（5）系統(tǒng)擴展實現(xiàn)智能排產。

3 預計效果

通過對鋁合金車體數(shù)字化車間總體構架和關鍵技術的運用，將實現(xiàn)鋁合金車體制造過程智能化、精益化、高效化、數(shù)字化，實現(xiàn)技術信息、物流信息、生產指令直達工位，保證數(shù)據(jù)高效無損傳達；通過底層傳感技術突破和應用，實現(xiàn)95%以上設計、生產、質量、資源、人力等數(shù)據(jù)的自動采集，提高工程數(shù)據(jù)與業(yè)務管理數(shù)據(jù)貫通化、透明化、真實化。

通過測算，數(shù)字化車間實施后可實現(xiàn)“二升三降”的提質增效目標：即生產效率提高約20%；能源利用率提高10%以上；運營成本降低大于20%；產品研制周期縮短約30%；產品不良率降低超過20%。

4 結束語

數(shù)字化車間是自動化和信息化融合的必然產物，是企業(yè)實現(xiàn)智能制造的基礎。本文提出鋁合金車體數(shù)字化車間的構建思路：以標準化生產線和工位為對象，構建了數(shù)字化車間總體構架，分別對產品設計研發(fā)、制造運行管理、數(shù)字化柔性生產線、大數(shù)據(jù)協(xié)同管理平臺等關鍵技術提出數(shù)字化功能需求?；ヂ?lián)、集成、協(xié)同的數(shù)字化車間將實現(xiàn)設計、生產、質量、資源、人力等數(shù)據(jù)按照業(yè)務流程自動采集和反饋，從而達到充分優(yōu)化配置資源、縮短產品研發(fā)周期、提高生產效率和產品質量、降低生產成本的目標，為企業(yè)增強核心競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力提供保障。